Как рассчитать скорость света

Содержание

• Световые эксперименты
• Измерение скорости света по астрономическим наблюдениям
• Сравнивая скорость света в воздухе со скоростью в воде
• Используя уравнение для скорости света
• Современный метод измерения с использованием лазеров
• Измерение скорости света больше не имеет смысла
• Использование скорости света для калибровки экспериментального устройства
• Скорость света в вакууме - универсальная постоянная

Щелкнуть пальцами! За то время, которое потребовалось для этого, луч света смог пройти почти весь путь до Луны. Если вы щелкнете пальцами еще раз, вы дадите время лучу, чтобы завершить путешествие. Дело в том, что свет распространяется очень, очень быстро.

Свет распространяется быстро, но его скорость не бесконечна, как полагали люди до 17 века. Однако скорость слишком велика, чтобы ее можно было измерять с помощью ламп, взрывов или других средств, которые зависят от остроты зрения человека и времени реакции человека. Спроси Галилея.

Световые эксперименты

В 1638 году Галилей разработал эксперимент с использованием фонарей, и лучший вывод, который он смог сделать, заключался в том, что свет «необычайно быстр» (другими словами, действительно, очень быстр). Он не смог придумать число, даже если бы он даже попробовал эксперимент. Однако он рискнул сказать, что, по его мнению, свет распространяется как минимум в 10 раз быстрее звука. На самом деле, это больше в миллион раз быстрее.

Первое успешное измерение скорости света, которое физики повсеместно представляют строчной буквой с, было сделано Оле Ремером в 1676 году. Он основывал свои измерения на наблюдениях спутников Юпитера. С тех пор физики использовали наблюдения звезд, зубчатых колес, вращающихся зеркал, радиоинтерферометров, резонаторов резонаторов и лазеров для уточнения измерений. Теперь они знают с настолько точно, что Генеральный совет по мерам и весам основал на нем счетчик, который является основной единицей длины в системе СИ.

Скорость света является универсальной постоянной, поэтому нет формулы скорости света, как таковой, На самом деле, если с были бы другие, все наши измерения должны были бы измениться, потому что метр основан на этом. Однако свет имеет волновые характеристики, которые включают частоту ν и длина волны λи вы можете связать их со скоростью света с помощью этого уравнения, которое вы можете назвать уравнением для скорости света:

с = νλ

Измерение скорости света по астрономическим наблюдениям

Ремер был первым, кто придумал число для скорости света. Он сделал это, наблюдая затмения лун Юпитера, особенно Ио. Он будет наблюдать, как Ио исчезает за гигантской планетой, а затем время, которое требуется, чтобы появиться снова. Он полагал, что это время может отличаться на целых 1000 секунд, в зависимости от того, насколько близко Юпитер был к земле. Он придумал значение для скорости света 214 000 км / с, что находится на том же уровне, что и современное значение, почти 300 000 км / с.

В 1728 году английский астроном Джеймс Брэдли рассчитал скорость света, наблюдая звездные аберрации, которые являются их очевидным изменением в положении из-за движения Земли вокруг Солнца. Измеряя угол этого изменения и вычитая скорость Земли, которую он мог рассчитать по данным, известным в то время, Брэдли придумал гораздо более точное число. Он рассчитал скорость света в вакууме, равную 301 000 км / с.

Сравнивая скорость света в воздухе со скоростью в воде

Следующим человеком, который измерил скорость света, был французский философ Арманд Ипполит Физо, и он не полагался на астрономические наблюдения. Вместо этого он сконструировал аппарат, состоящий из светоделителя, вращающегося зубчатого колеса и зеркала, расположенного в 8 км от источника света. Он мог регулировать скорость вращения колеса, чтобы луч света проходил к зеркалу, но блокировал обратный луч. Его расчет сОн опубликовал его в 1849 году со скоростью 315 000 км / с, что было не так точно, как у Брэдли.

Год спустя французский физик Леон Фуко усовершенствовал эксперимент Физе, заменив вращающееся зеркало на зубчатое колесо. Значение Фуко для c составляло 298 000 км / с, что было более точным, и в процессе Фуко сделал важное открытие. Вставив трубку с водой между вращающимся зеркалом и неподвижным, он определил, что скорость света в воздухе выше скорости в воде. Это противоречило тому, что предсказала корпускулярная теория света и помогла установить, что свет - это волна.

В 1881 году А. А. Майкельсон усовершенствовал измерения Фуко, построив интерферометр, который мог сравнивать фазы исходного и обратного лучей и отображать интерференционную картину на экране. Его результат составил 299 853 км / с.

Майкельсон разработал интерферометр для обнаружения присутствия эфирпризрачное вещество, сквозь которое, как думали, распространяются световые волны. Его эксперимент, проведенный с физиком Эдвардом Морли, провалился, и он заставил Эйнштейна сделать вывод, что скорость света является универсальной постоянной, одинаковой во всех системах отсчета. Это было основой Специальной Теории Относительности.

Используя уравнение для скорости света

Ценность Майкельсона была принятой до тех пор, пока он сам не улучшил ее в 1926 году. С тех пор эта ценность была усовершенствована рядом исследователей, использующих различные методы. Одним из таких методов является метод резонатора резонатора, в котором используется устройство, генерирующее электрический ток. Это правильный метод, потому что после публикации уравнений Максвелла в середине 1800-х годов физики пришли к соглашению о том, что свет и электричество являются явлениями электромагнитной волны и движутся с одинаковой скоростью.

Фактически, после того как Максвелл опубликовал свои уравнения, стало возможным измерять c косвенно, сравнивая магнитную проницаемость и электрическую проницаемость свободного пространства. Два исследователя, Роза и Дорси, сделали это в 1907 году и вычислили скорость света в 299 788 км / с.

В 1950 году британские физики Луи Эссен и А.С. Гордон-Смит использовали резонатор резонатора для расчета скорости света путем измерения его длины волны и частоты. Скорость света равна расстоянию, которое проходит свет d делится на время, которое требуется & Dgr; t: c = d / ∆t, Учтите, что время для одной длины волны λ для прохождения точки - это период формы волны, который является обратной величиной частоты vи вы получите скорость света по формуле:

с = νλ

Устройство, которое использовали Эссен и Гордон-Смит, известно как резонансный резонатор, Он генерирует электрический ток известной частоты, и они смогли рассчитать длину волны путем измерения размеров вольтметра. Их расчеты дали 299 792 км / с, что было самым точным определением на сегодняшний день.

Современный метод измерения с использованием лазеров

Один из современных методов измерения возрождает метод расщепления лучей, используемый Физо и Фуко, но использует лазеры для повышения точности. В этом методе импульсный лазерный луч расщепляется. Один луч направляется на детектор, а другой движется перпендикулярно зеркалу на небольшом расстоянии. Зеркало отражает луч обратно ко второму зеркалу, которое отклоняет его ко второму детектору. Оба детектора подключены к осциллографу, который записывает частоту импульсов.

Пики импульсов осциллографа разделены, потому что второй луч проходит большее расстояние, чем первый. Измеряя расстояние между вершинами и расстоянием между зеркалами, можно определить скорость светового луча. Это простая техника, и она дает довольно точные результаты. Исследователь из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии зафиксировал значение 300 000 км / с.

Измерение скорости света больше не имеет смысла

Измерительным стержнем, используемым научным сообществом, является метр. Первоначально он был определен как одна десятая миллионная расстояния от экватора до Северного полюса, и позже определение было изменено, чтобы быть определенным числом длин волн одной из линий излучения криптона-86. В 1983 году Генеральный совет по мерам и весам отменил эти определения и принял следующее:

метр расстояние, пройденное пучком света в вакууме в 1/299 792 458 секунды, где второе основано на радиоактивном распаде атома цезия-133.

Определение метра в терминах скорости света в основном фиксирует скорость света на уровне 299 792 458 м / с. Если эксперимент дает другой результат, это просто означает, что аппарат неисправен. Вместо того чтобы проводить больше экспериментов по измерению скорости света, ученые используют скорость света для калибровки своего оборудования.

Использование скорости света для калибровки экспериментального устройства

Скорость света проявляется в различных минусах физики, и ее технически возможно рассчитать по другим измеренным данным. Например, Планк продемонстрировал, что энергия кванта, такого как фотон, равна его частоте, умноженной на постоянную Планка (h), которая равна 6,6262 x 10.^-34 Joule⋅second. Поскольку частота с / λУравнение Планка можно записать в терминах длины волны:

E = hν = hc / λ

с = Eλ / ч

Обстреливая фотоэлектрическую пластину светом известной длины волны и измеряя энергию выброшенных электронов, можно получить значение для с, Этот тип калькулятора скорости света не является необходимым для измерения с, однако, потому что с является определенный быть тем, что есть. Тем не менее, он может быть использован для тестирования устройства. Если Eλ / ч не получается с, что-то не так с измерениями энергии электронов или длины волны падающего света.

Скорость света в вакууме - универсальная постоянная

Имеет смысл определить измеритель в терминах скорости света в вакууме, поскольку он является самой фундаментальной постоянной во вселенной. Эйнштейн показал, что он одинаков для любой точки отсчета, независимо от движения, и это также самое быстрое, что может путешествовать во вселенной - по крайней мере, все, что имеет массу. Уравнение Эйнштейна, и одно из самых известных уравнений в физике, E = mc², дает ключ к пониманию того, почему это так.

В своей наиболее узнаваемой форме уравнение Эйнштейна применимо только к телам в состоянии покоя. Общее уравнение, однако, включает в себя Фактор Лоренца γ, где γ = 1 / √ (1- v²/ с²), Для тела в движении с массой м и скорость v, Уравнение Эйнштейна должно быть написано E = mc²γ, Когда вы смотрите на это, вы можете увидеть, что когда v = 0, γ = 1 и вы получите Е = тс².

Однако когда v = c, γ становится бесконечным, и вы должны сделать вывод, что потребовалось бы бесконечное количество энергии, чтобы разогнать любую конечную массу до этой скорости. Другой способ взглянуть на это - масса становится бесконечной со скоростью света.

Текущее определение измерителя делает скорость света стандартом для наземных измерений расстояния, но она давно используется для измерения расстояний в космосе. Световой год - это расстояние, которое свет проходит за один земной год, и получается 9,46 × 10.¹⁵ м.

Это много метров - это слишком много, чтобы понять, но световой год легко понять, и поскольку скорость света постоянна во всех инерциальных системах отсчета, это надежная единица расстояния. Он сделан чуть менее надежным, поскольку основан на годе, который не имеет отношения к кому-либо с другой планеты.